(18 18) 近接撮像型 DOI-PET 装置の計算機シミュレーションによる検出器配置の検討 菅幹生 1) 山谷泰賀 2) 小林哲哉 1) 高橋悠 1) 1) 千葉大学 工学部 2) 放射線医学総合研究所 医学物理部 1. はじめに近年 食生活の欧米化や生活様式の変化に伴い 乳がんによる死亡率は急激に上昇している 乳がんは早期発見 早期治療による効果が非常に高いことから 初期段階での発見を目的とした乳がん検診が薦められている 乳がんに対する主な検診法は視触診のほかに マンモグラフィーや超音波などの画像診断装置があり これらは細胞や組織の中に異常な形や大きさのものが無いかを観察するために利用される 一方 18F-FDG を利用した PET 撮影では 細胞分裂がさかんながん組織ほど 18 F-FDG が集中するという機能的特性を利用して観察できる点で優れているが 感度と空間分解能が低く 更なる向上が望まれている 他方 生命機能の理解や新薬開発を目的として 生体内の細胞や分子の挙動を画像化する分子イメージングが注目されている これらの研究で対象となるのはマウスやラットなど小動物の場合が多いことから 小動物専用の高性能 PET 装置の開発や要素技術研究が盛んに行われている 小動物用 PET 装置を用いて小さな組織を高い空間分解能で画像化するには 放射能濃度と装置感度の積を人間用 PET 装置の 8 倍程度にする必要がある 1) しかし 放射能濃度は被爆量の問題やリガンドの占有率の制約から単純に高くすることはできない したがって 非常に高い装置感度が求められることになる 従来の PET 装置は 十分な感度を得るために結晶素子を厚くすると視野辺縁部の空間分解能が低下し 空間分解能を向上させるために結晶素子を薄くすると十分な感度が得られないことから 感度と空間分解能を両立することができなかった これに対して 検出器深さ方向のγ 線相互作用位置 (depth-of-interaction, DOI) を計測する 3 次元放射線検出器 1) は 感度を維持しながら視野中の空間分解能の一様性を高めることができる この DOI 検出器を用いることで 乳房や小動物などの部位や対象に特化して近接撮影する高感度 PET 装置の実現が期待されている 一方で検出器を測定対象に近づけるほど感度が高まる一方で 解像度や計数特性が劣化することや 検出器間に隙間がある場合には 投影データが不完全なものになり 解像度が劣化することが予想される 本研究では 近接撮影型 DOI-PET 装置の実現を目指し その基礎設計に役立てるため 計算機シミュレーションによって提案装置の画質性能を明らかにすることを目的とする 具体的には 検出器リング径を小さくすることによって装置感度を高めた装置仕様において 検出器配置の違いが感度や計数特性 空間分解能に与える効果を明らかにする 2. 近接撮影型 DOI-PET 装置 2.1. DOI 検出器近接撮影型 DOI-PET 装置では 結晶素子を小型化することで空間分解能を高め 結晶素子を多層にすることで感度を高める 今回 1.44 1.44 4.5mm 3 の LSO 小型検出素子を 32 32 4 層に配置した DOI 検出器ブロックと 256ch フラットパネル光電子増倍管 (PMT) を用いた大面積の検出器を 1
用いた場合について検討した 2.2. DOI 検出器配置検出器ブロックの配置は小動物用 DOI-PET 装置も視野に入れて六角形 ( 視野直径 85.2mm) 四角形 ( 視野直径 49.2mm) さらにパッキングフラクションを高めるために検出器の端を一部分重ねた四角形 ( 視野直径 38.1mm) の計 3 種類とし 体軸方向にはいずれも 2 リング並べる構成とした ( 図 1) 3. 計算機シミュレーション近接撮影型 DOI-PET 装置の上記検出器配置での感度分布 絶対感度 雑音等価計数比 (NECR) などを求めるために モンテカルロシミュレータ GATE (Geant4 application for tomographic emission) 3,4) を用いて各装置をモデル化した さらに 並列読み出しによる感度および計数特性の変化についても求めた また 空間分解能を調べるために画像再構成には正確な検出器応答関数を取り入れたリストモード再構成手法を実装した 3.1. 感度分布各検出器配置の装置で 体軸に垂直な断面と体軸に平行な断面での 2 次元感度分布を求めるために 板状で 1kBq の線源を FOV 内に設置し 測定時間はいずれの検出器配置においても中心部の画素が 1 カウントとなる時間とした 計算機シミュレーションにおける回路系の設定パラメータはエネルギー分解能を 2% エネルギーウィンドウを 35 から 6keV 時間分解能を 1.ns 同時計数タイムウィンドウを 4.ns デッドタイムは non-paralysable で 125ns とした 得られる同時計数データには放射性崩壊が発生した座標位置が情報として含まれており その情報を元に感度分布図を作成することができる 3.2. 絶対感度直径 1 mmで 1kBq の点線源を FOV の中心に設置し 測定時間を 1 秒と想定した 回路系の設定パラメータは エネルギーウィンドウの低エネルギー側の閾値を 2 から 4keV の範囲で 5 kev 間隔 エネルギーウィンドウの高エネルギー側の閾値を 6keV アノード分割数は 1 1 2 2 4 4 8 8 とした以外は感度分布測定と同じ設定にした また micropet Focus22 の検出器配置でのシミュレーションも行なった micropet の回路系設定パラメータは エネルギー分解能を 18.5% アノード分割数を 1 1 のみとした以外は回路系のパラメータは提案装置と同じとした 3.3. 雑音等価計数比 図 1 近接撮影型 DOI-PET 装置の検出器配置 11
各検出器配置の装置における画像の信号対ノイズ比を表す指標となる雑音等価計数比 (NECR) を測定するために 図 2に示した散乱フラクション測定用ファントム (NEMA NU2-21) の小型版を用いた 5) ファントムは直径 3mm 長さ 7mm の円柱状の Polyethylene (ρ=.96 g/cm3) の中心軸から 7.5mm 離れたところに直径 3mm の線源 (Volume=.4948 ml) を埋め込んでいる NECR の計算式は NECR=T 2 /(T + S + 2fR) とした T は true, S は scatter, R は random を表す f は FOV とファントムの表面積比で定義される random の補正係数であり f = (φp Lp)/(φF LF) で定義した φp と Lp はファントムの直径と長さを表し φf と LF は FOV の直径と長さを表す この定義式より 六角形と四角形 および四角形 ( 重なりあり ) のfの値を求めるとそれぞれ.5.87 1.12 となる 3.4. イメージングシミュレーション 3.4.1. 画像再構成ブロック間の隙間や不均一な検出素子対サンプリングによって生じるサイノグラム化エラーを避けるため 正確な検出器応答関数を取り入れたリストモード画像再構成手法を適用した 具体的には 検出素子の幾何学的配置と検出素子内のγ 線の貫通を考慮して定義した感度分布関数を用いてシステムマトリクスを定義し リストモードベースの normalization weighted maximum likelihood expectation maximization (ML-EM) 法を実装した 物体空間は 幅.49mm のピクセルを既定関数として用いた 3.4.2. 画質評価計算機シミュレーションで想定した数値ファントムは 直径 32mm のプールファントム (warm) 上に直径 1mmの点線源 (hot) を5mm 間隔で格子状に 11 点配置した ( 図 3) 総カウント数は一定時間測定を行った場合の各検出器配置の感度に比例させて 四角形 ( 重なりあり ) を 2M 四角形を 1.6M 六角形を 1.333333M とした また プールファントムと点線源の強度の比は 1:5 とした 空間分解能の評価のために各点線源の格子方向の測定半値幅 (FWHM) を測定した なお シミュレーションではポジトロンレンジ 角度揺動 吸収 散乱は考慮せず 再構成は 2 次元とした 各装置で得られる再構成像を比較するにあたり 画像に対するノイズの影響を表す指標である正規化標準偏差 (normalized standard deviation: NSD) 値が.12 となる逐次回数の画像を利用した 全ての画像においてファントムの一様領域であるバックグランド中に約 15 1mm 2 の関心領域 (region of 図 2 計数率測定用ファントム 図 3 分解能測定用ファン 12
interest: ROI) を図 3の赤い四角で示した位置に設定した NSD 値は ROI 中の RI カウントの平均値を RI カウントの標準偏差で割ることにより求めた ROI 中には 6 個のピクセルが含まれる 空間分解能の測定は 再構成画像からバックグラウンド (ROI の画素の平均値 ) を差し引いた後 4 点の radial 方向および tangential 方向のプロファイルに Gaussian fitting を施ことで FWHM を求めた 4. 結果および考察 4.1. 感度分布各検出器配置で エネルギーウィンドウを 35 から 6keV としたときの 2 次元感度分布を図 4 に示す 体軸に垂直な断面での感度の最大値と平均値はそれぞれ四角形で 25.% と 2.7% 四角形 ( 重なりあり ) で 31.2 % と 28.5% 六角形で 21. % と 17% であった また 体軸に平行な断面での感度の最大値と平均値はそれぞれ四角形で 25.1% と 14.2% 四角形( 重なりあり ) で 32.4% と 21.3% 六角形で 2.5% と 1.8% であった 4.2. 絶対感度各検出器配置で アノード分割数を変えた場合の絶対感度を図 5に示す アノード分割数を増やすと絶対感度は低下した また アノード分割数によらず検出器配置が四角形 ( 重なりあり ) 四角形 六角形の順に絶対感度は高く その比は 1.5 : 1.2 : 1 となった また micropet Focus22 の検出器配置での絶対感度のシミュレーション結果は四角形 ( 重なりあり ) の約十分の一にあたる 2.9% であった 4.3. 雑音等価計数比検出器配置の違いによる雑音等価計数率を各アノード分割数ごとに図 6に示す すべての検出器配置で並列読み出しをすることで感度の低下を抑えながら 計数率が向上することを示している 並列読み出しをしない場合には両四角形配置は高放射能時の計数率が六角形配置に劣るが 並列読み出しをすることで優れた性能を発揮することが示された これは検出器配置が四角形の場合 並列読み出しをすることで random よりも真の同時係数が増加する割合が大きくなることに起因する アノード分割数が 2 2 以上の場合 感度 雑音等価計数比の最大値ともに四角形 ( 重なりあり ) が優れた結果を示した ( 図 7) 高放射能時(>5MBq) の計数率は 4 4 が優れるが 投与する薬物の放射能濃度を 4MBq 以下とする場合には 2x2 の計数率の方が優れている (a) transaxial (b) axial 図 4 各検出器配置での感度分布 検出器配置は (a), (b) いずれも左から四角形 四角形 ( 重なりあり ) 六角形 13
4 35 4 35 4 35 2 kev 25 3 35 3 3 3 4 Abso. sensitivity [%] 25 2 15 1 5 2 kev 25 3 35 4 Abso. sensitivity [%] 25 2 15 1 5 2 kev 25 3 35 4 Abso. sensitivity [%] 25 2 15 1 5 図 5 各検出器配置での絶対感度 45 4 35 3 micropet 45 4 35 3 25 2 15 25 2 15 1 5 1 5 5 1 15 2 25 5 1 15 2 25 (a) アノード分割数 1 1 (b) アノード分割数 2 2 45 45 4 4 35 35 3 3 25 2 15 1 5 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 5 1 15 2 25 (c) アノード分割数 4 4 (d) アノード分割数 8 8 図 6 アノード分割数 1 1 から 8 8 における各検出器配置での計数率 14
Maximum NECR (kcps) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 六角形四角形四角形 ( 重なりあり ) 図 7 最大 NECR の比較 4.4. 4. イメージングシミュレーション各検出器配置での分解能測定用ファントムの再構成画像を図 8に示す また 再構成画像からバックグラウンドを差し引いた画像を図 9に示す 検出器配置が四角形 六角形 四角形 ( 重なりあり ) の順に 結晶ブロックに垂直な方向に伸びるアーティファクトが強く現れている NSD=.12 の条件下で求めた radial 方向および tangential 方向の FWHM を図 1に示す 検出器配置が四角形の場合の FWHM の最小値 最大値 平均値はそれぞれ 1.2mm 1.7mm 1.3mm 四角形 ( 重なりあり ) の場合は 1.mm 1.5mm 1.2mm 六角形の場合は 1.mm 1.6mm 1.2mm であった 図 8 各検出器配置での再構成画像 図 9 各検出器配置での再構成画像からバックグラウンドを差し引いた画像 15
1.8 1.6 radial 1.8 1.6 tangential FWHM resolution [mm] 1.4 1.2 1.8.6.4.2 六角形 四角形 四角形 ( 重なり有り ) FWHM resolution [mm] 5 1 15 radial offset [mm] 図 1 各検出器配置での FWHM 解像度 (NSD=.12) 1.4 1.2 1.8.6.4.2 5 1 15 radial offset [mm] 5. まとめ計算機シミュレーションによって 検出器の端を一部分重ねた四角形配置の装置が 検出器配置が四角形や六角形の装置よりも優れた感度 計数率特性を有することを示した また アノード信号の並列読み出しの有効性を示した 具体的には 六角形 : 四角形 : 四角形 ( 重なりあり ) の絶対感度比は 1:1.2:1.5 であった また 最大 NECR は分割読み出しを行わない場合 1:.79:.92 であったが 分割読み出しを 2 2 では1 :.84 : 1.2 4 4 では 1 :.9 : 1.13 8 8 では 1 :.91 : 1.13 となった すなわち 測定対象が小さい場合 検出器を近づけることによって絶対感度が向上する一方 計数損失の影響を強く受けてしまうが 適切な分割読み出しによって計数損失を抑制できることがわかった また 4MBq 以下の低放射能時の計数率はアノード分割数 2 2 が 高放射能時の計数率は 4 4 が優れていた このことは検査時に用いる薬剤投与量により 最適なアノード分割数が変わることを意味する イメージングシミュレーションの結果 検出器配置が四角形の場合 検出器の端を一部分重ねることで空間分解能を向上できることが分かった また 検出器配置が四角形 ( 重なりあり ) の場合 六角形の装置よりも撮影対象に近接し 結晶素子数も 3 分の2であるにもかかわらず 空間分解能は劣化しないことがわかった 今回の実験結果より FOV が小さい点を除くと 適当なアノード分割数によって計数率を他と比べて向上させることができて 体軸方向への感度も高く 必要な結晶数が少ない点で経済的でもある四角形 ( 重なりあり ) の装置が最適であると考えられる 参考文献 [1] 山谷泰賀他 小動物用 DOI-PET 装置 jpet-rd の 2 次元イメージングシミュレーション Jpn. J. Med, Phys., 25, 1, 25 [2] Murayama H. et al, Design of a Depth of Interaction Detector with a PS-PMT for PET, 1999 IEEE Nucl. Sci., 47, pp.145-15, 2. [3] Jan S. et al, "GATE: a simulation toolkit for PET and SPECT", Phys. Med. Biol., 49, pp.4543-4561, 24. [4] Agostinelli S. et al, "GEANT4: a simulation toolkit", Nucl. Instrum. Meth., A56, pp.25-33, 23 [5] Tai Y.C. et al, "Performance Evaluation of the micropet Focus: A Third-Generation micropet Scanner Dedicated to Animal Imaging", Journal of Nuclear Medicine, 46, 3, pp.455-463, 25. 16